Войти в айти

В интернетах опять стали много говорить про зарплаты в айти (IT), выскажу свое принципиально важное мнение про то, что айти (IT) – не для всех. Спойлер: для всех, но есть нюанс. Начну с утверждения, что такие зарплаты несправедливы: врачи, инженеры – строители тратят много времени, а им мало платят. Во-первых, платят (может меньше чем в айти (IT), но все же больше, чем простым работягам). Естественно, не в государственных учреждениях. Во-вторых, есть тот самый нюанс. Это невероятно, сверхестественно как сложно. Да, врачам тоже сложно, но это разные сложности. Для врача или строителя обучение строится на уже понятных абстракциях. У каждого человека есть понимание что такое тело, или что такое  дом. В нашем же веку пришло айти (IT), со своими кодами, байтами, доменами, классами, наследованием, и т.д. Это абстракция, с которой мы не знакомимся, познавая окружающий мир естественным путём в процессе жизни. Для нее нужно намеренно и осознанно делать усилия в сторону ее изучения. Думаю, никто не будет спорить на счет того, что обычный человек приблизительно представляет себе, как работает его тело. Может не всегда правильно, но в целом концепцию понимает. Так же и с домами или любыми другими атрибутами “обычных” профессий. Спроси обычного человека как работает сайт или программа и он не ответит. Для него «айти» это черная коробка, где с одной стороны программист,  а с другой результат его жизнедеятельности, он не представляет концепции ПО. Что у нас есть фронт, бэк, апи (API), оно туда-сюда обращается и т.д. Знакомая девушка мне задала вопрос:

-“А вот как инстаграм понимает, что мне показывать”. Я хоть такую логику не писал, но знаю общую концепцию. Ровно так же и объяснил на пальцах, как и представитель другой профессии. Собственно, отсюда и вытекает сложность, а из нее вытекает большая зарплата. Пройдет какое-то время, и наши условные внуки будут воспринимать эту концепцию, как и остальные. Тогда профессия программиста не будет отличаться от других. У них не будет этой сложности, когда нужно сначала понять абстракцию. Кто не понял, сложность порождает дефицит и отток кадров их отрасли. Представим, что у нас есть потребность нанять 100 «сеньоров». В условную воронку попадает 10000 «трейни». Из-за того, что эта профессия новая, она сложная, и никто не знает, как работать правильно. Ни менеджеры, ни «эйчар», ни те самые программисты, поэтому наступает кризис. Мы, конечно, все постепенно учимся, есть какие-то общие практики. Но будем честны, в условные десятки тысяч “рога и копыта” требуется больше людей чем в Яндекс, Сбербанк, и прочие. Не все еще умеют правильно работать, отсюда и отток. Как по естественным причинам, так и от выгорания. Так, вернёмся к нашим сеньорам. Пока все эти «трейни» пройдут этот путь, половина из сеньоров постареют, выгорят, заработают денег и их нам станет нужно уже 200. А из этих 10000 «трейни», к нам дошло только 100 сеньоров. Потому, что сложно, потому что не понравилось, неоднозначные процессы, выгорания, сбежали от низкой зарплаты (бизнесу незачем платить «джунам», они же бесполезные), да и просто достигли желаемого потолка. Ну допустим, хоть сто кандидатов пришло. Но тут в игре появляется козырь. Из-за того, что профессия высокооплачиваемая, из-за того, что дефицит – есть абсолютно левые люди, которые хотят нажиться на этом, и появляются собеседования. А мы же в общем-то не знаем как это делать. Ну то есть идея в принципе понятная, надо проверить человека на знания предметной области. Но как, если мы только вчера сами узнали, как это работает? Вот у нас их уже осталось 50, а нужно стало 150! Контракты ждать не будут, поэтому мы просто скупаем всех, кто есть на рынке, предлагаем яхту, личный самолет, молоденькую секретаршу, все что угодно, лишь бы нас не засудили заказчики. А потом ребятки пишут, что все просто, а вы раскатали губы. Нет ребятки, это вы раскатали губы. Вы такие умные и знаете, как классно это все работает, и знаете, как сделать круто, а сидите на своём месте. Придите, помогите. Я уверен, коммерсанты заплатят вам столько, что сеньоры лопнут от зависти. На самом деле можно было уложиться в одно слово: “это сложно”, но хотелось рассказать подробнее тем, кто не знал или не задумывался и т.д. В конце скажу:

Я считаю, что любому делу может обучиться любой, но два момента:

1) Зачем, когда есть его дело, в котором он точно хорош чем 99% других.

2) Это потребует усилий больше, чем другая “стандартная” профессия

Нанороботы

Большой рассказ о микропловцах (microswimmers) и микроботах – миниатюрных машинах, способных двигаться в жидкости и даже выполнять работу. Это до сих пор звучит как научная фантастика, но их время не за горами.

Начнем издалека, с истории и теории. В 1827 году шотландский ботаник. Роберт Браун, наблюдая под микроскопом неугомонное движение зерён пыльцы растений в воде, предположил, что они живые. Такое движение теперь называют броуновским. Оно, действительно, не останавливается. Действительной причиной его является хаотичное тепловое движение молекул воды, которые толкают зёрна пыльцы. Теорию Броуновского движения разработал Альберт Эйнштейн в начале XX века. Тогда это было серьёзным идейным прорывом, так как существование молекул ещё не было доказано. Согласно этой теории, броуновское движение хаотично, не имеет определённого направления, а средний квадрат смещения пропорционален времени. Это принципиально отличается от обычного прямолинейного движения, где смещение dx=vt, а квадрат смещения растёт как квадрат времени. Из этого следует, что движение живых организмов или машин будет отличаться от броуновского по двум признакам: хаотичности и росту среднеквадратичного смещения со временем. То есть можно отличить микроорганизмы от неживых частиц чисто по характеру движения. Открытие микроорганизмов относится к концу XVII в. Одним из первых их увидел голландец Антони ван Левенгук (1632-1723), который сконструировал микроскоп, увеличивающий микрообъекты в десятки и сотни раз. Уже тогда удалось обнаружить, что плавающие микроорганизмы бывают разными.

Микроорганизмы под микроскопом
Микроорганизмы под микроскопом.

Это, например, одноклеточные организмы (протисты), водоросли, бактерии. К этому можно добавить живые клетки высших организмов, например, сперматозоиды. Позже, в середине XIX века началось активное изучение микроорганизмов. Всем знакомо имя француза Луи Пастера (1822-1895). Пастер установил, что они различаются не только по внешнему виду, но и по характеру жизнедеятельности: вызывают разные химические превращения в среде. А что насчёт характера движения? Чтобы понять его, надо погрузиться в гидродинамику и рассчитать течения жидкости.

Здесь-то и начинаются сюрпризы. Течение обычных жидкостей вроде воды описывается уравнением Навье-Стокса, которое представляет собой вариант закона сохранения импульса или второго закона Ньютона: ускорение жидкости в любой точке определяется суммой сил либо конвекцией. Силы – это давление, гравитация, трение. А конвекция – это перемешивание из-за инерции. Попробуйте опустить руку в воду и повести ею. Вода будет двигаться по инерции и после того, как вы перестанете двигать рукой. Именно инерцию люди и водные животные используют при плавании. Рыбы, человек, тюлени, дельфины при плавании отталкиваются от воды: себя толкаешь вперёд, а воду – назад, и ты – движешься. Чем сильнее толчок, тем дальше уплывёшь. Корабль после остановки двигателей может проплыть сотни метров. Однако, у микроорганизмов всё не так.

Уравнение Навье - Стокса
Уравнение Навье – Стокса

Вместо инерции на мелких масштабах правят вязкость и трение. Принцип плавания зависит от того, какой вклад в уравнение доминирует. Эти вклады по разному зависят от размера системы и скоростей. Отношение вклада инерции к вкладу вязкости описывается числом Рейнольдса.

Число Рейнольдса
Число Рейнольдса

Если подставить в формулу характерные значения для человека или бактерии получаются очень разные величины. Для человека характерный размер 1 метр, скорость 1 м/c, плотность воды 1000 кг/м3, вязкость воды 0.001 Па с, Re ~ 1000000. Инерция в миллион раз важнее вязкого трения! Для кишечной палочки характерный размер 10 микрометров, скорость 10 микрометров/c, плотность воды 1000 кг/м3, вязкость воды 0.001 Па с, Re ~ 0.0001. Трение в 10000 раз важнее инерции! Человек, оттолкнувшись от берега может проплыть 5-10 метров, в разы больше длины своего тела. Если бактерия разгонится до 10 микрон в секунду и перестанет «грести», силы трения остановят её за долю секунды. Она едва ли проплывёт и нанометр (тысячную долю своей длины). Чтобы представить себе, каково плавать при Re≪1, попробуйте помешать ложкой чай, а потом мёд. Вязкость мёда в тысячи раз больше вязкости воды. Мёд прекращает двигаться как только вы останавливаете ложку, а вода движется по инерции. Для бактерий вода – как для нас смола.

Человек в акваланге.
Человек в акваланге.

Вторая большая проблема для таких малых чисел Re как у микроорганизмов – симметрия течений относительно смены знака. Это значит, что при повторении гребка задом наперёд, всё возвращается назад. Наглядная демонстрация обратимости течений – на этом видео:

Симметрия течений относительно смены знака.

Первым осознал проблему Эдвард Парселл (Нобелевка по физике за ЯМР), который занялся изучением микромира в 1970-х. Он сформулировал это в виде «теоремы гребешка» (scallop theorem):

Теорема Скаллопа

микрогребешок, который может только открывать и закрывать твёрдые скорлупки, не сможет плыть!

Парселл сделал вывод, что для плавания микробам требуется другой принцип: движения должны быть несимметричными: гребок должен отличаться от возвратного движения по форме.

Различные микроорганизмы.

Если понять это, можно сконструировать машины, выполняющие такие несимметричные движения. Парселл предложил несколько простых машин, которые смогли бы плавать и супервязких жидкостях. Некоторые из них были проверены на практике. Микроорганизмы реализуют этот принцип через гребной винт (жгутик) или реснички простейших (инфузории туфельки). Движения ресничек похожи на гребки руками в кроле. Нарушает симметрию – и жгутик, закрученный в спираль. Тогда она ввинчивается в вязкую жидкость, подобно штопору. Здесь видно, как симметрия нарушается для жгутиков и ресничек.

Структура ресничек и жгутиков оказалась настолько удачной (оптимизировалась сотни миллионов лет), что была пережила много кругов эволюции. Реснички, толкающие жидкости в нашем теле, например в бронхах, имеют почти ту же структуру, что реснички простейших одноклеточных.

Структуры жгутиков в теле человека.
Структуры жгутиков в теле человека.

После работ Парселла прошло ещё лет 20, и физики стали изобретать искусственных микропловцов. В 1990-2000-х было несколько теоретических работ, развивающих принцип несиметричного плавания. Здесь отметился и ещё один нобелевский лауреат по физике Франк Вилчек. Элегантная модель была предложена иранцами Наджафи и Голестаняном. В ней два шарика и две пружинки, которые сжимаются по очереди, а потом разжимаются. Если последовательность правильная, трение уменьшается в той части, которая идёт вперёд и увеличивается в той, что идёт назад.

Машина Парселла
Машина Парселла

В 2005-м наконец дозрели технологии и физики (Dreyfuss et al.) смастерили первого искусственного микропловца из эритроцита и полимерного жгутика, наполненного зёрнами магнитного материала. переменном магнитном поле, жгутик извивается, и это существо плывёт (хвостом вперёд)!

Способ плавания микроорганизмов.
Способ плавания микроорганизмов.

Потом последовал взрыв идей и технологий. Были предложены идеи микроботов с движущимися частями, использующие толчки, изменения формы, термофорез и диффузиофорез, ультразвуковые волны, поверхностное натяжение, магнитные элементы.

Асимметричная микрочастица.
Асимметричная микрочастица.

Самая простая и красивая идея – сделать саму микрочастицу асимметричной, например, покрыть половину поверхности катализатором. Такие структуры называют частицами Януса (по имени двуликого божества). В этом преуспели многие, в частности, Аюсман Сен из Penn State University.

Принцип реактивного движения трубки
Принцип реактивного движения трубки

Катализатор ускоряет химическую реакцию, такую как распад перекиси водорода на воду и кислород, а образующиеся на одной стороне газовые пузыри проталкивают частицу вперёд. Она начинает носиться как сумасшедшая. Можно сделать также стержни или трубки с асимметричным покрытием. Другая элегантная идея – сделать микроспираль и прикрепить к ней магнитную головку. Тогда внешнее магнитное поле сможет вращать спираль и микроботом можно будет управлять извне. Уже были попытки использовать их в медицинских целях. В этом преуспел, например, Пер Фишер.

Зачем нужна физика?

Теперь мы имеем представление о нескольких достижениях современной физики, которыми мы пользуемся ежедневно. В каждом доме можно найти технологии, над которыми лет 30-40 назад корпели очкастые ботаники, а сейчас трудится молодёжь в футболках. Полезно знать о трёх важнейший открытиях XX века. Нобелевку по физике 2014 года получили японцы Исаму Акасаки, Хироши Амано и Судзи Накамура «за изобретение эффективных синих светодиодов (LED), привёдших к появлению ярких и энергосберегающих источников белого света». Светодиоды, излучающие зелёный и красный свет, были созданы примерно полвека назад и использовались, например, как индикаторы «вкл/выкл», однако для белого света не хватало третьего компонента – синего. Три цвета вместе (красный, зелёный, синий RGB) составляют белый свет.

Разложение света на составляющие.
Разложение света на составляющие.

Японцы додумались, как вырастить кристаллы полупроводников и скомбинировать их, чтобы получить синее свечение, в конце 80-х и в 1992 году представили первый светодиод, а потом на его основе синий лазер, который позволил создать технологию BluRay. Исходная техника записи и чтения компакт дисков CD и DVD использует красный лазер. Длина волны синего лазера (405 нанометров) меньше, чем у красного (600+ нанометров), поэтому он, вроде более тонкой иглы, позволяет читать и писать более мелко и увеличить число отметок на диске
С появлением LED ламп осветительная техника переживает настоящую революцию. Светодиодные лампы потребляют в 20 раз меньше энергии при той же светимости, что у традиционных ламп накаливания, занимают меньше места, не греются, не бьются, и намного более долговечны.

Технология голубого лазера.
Технология голубого лазера.

Светодиоды используются ныне в домашних лампах, светофорах (это те, что горят ярко), световых табло, фонариках, телевизорах и прочих дисплеях, уличном освещении, фарах машин, дезинфицирующих медицинских лампах, BD проигрывателях, и любой электронике.
Без полупроводниковой электроники наша жизнь теперь немыслима. Процессоры и микросхемы есть не только в компьютерах, игровых приставках, телефонах и телевизорах, но и в автомобилях, самолётах, микроволновках, умных часах и даже чайниках.
Биполярный точечный транзистор изобрели в 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн (Нобелевка по физике 1956) в лабораториях Bell Labs. В течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем.

Кстати, американец Джон Барди́н был настоящим гением физики твёрдого тела. Он – один из четырёх человек, получивших по две Нобелевки и единственный получивший две Нобелевки по физике: вторая в 1972 году за теорию сверхпроводимости (BCS) с Купером и Шриффером.
Главная роль транзистора – усиление сигнала. Полупроводниковый транзистор намного меньше, дешевле, прочнее, долговечнее и энергоэффективнее электронных ламп, использовавшихся до этого. Самая крутая ламповая ЭВМ ENIAC содержала в себе 17468 ламп и весила 30 тонн.
Сегодня процессор смартфона много мощнее той ЭВМ. Нанотехнология позволяет нарезать транзисторы на кристалле кремния с шагом всего в несколько нанометров. Например, главный процессор iPhone 12 Apple A14 Bionic содержит 11,8 млрд транзисторов, размер наименьшего элемента 5 нм.

Благодаря совершенствованию методов обработки кристаллов, выжигания и вытравливания, сборки наноскопических микросхем, размер транзисторов с тех пор удавалось постоянно уменьшать, что в конце концов сделало возможным переносные приборы – лаптопы, планшеты, смартфоны. Что даёт уменьшение размеров транзисторов? Увеличение продолжительности работы переносных приборов, уменьшение потребления энергии компьютерами, ускорение их работы, улучшение быстродействия сенсоров в приборах и машинах, таких как беспилотные автомобили. 6 мая 2021 года фирма IBM объявила о запуске процессоров с 2-нм технологией (наименьший элемент схемы). IBM надеется, что это позволит увеличить производительность процессора на 45%, снизить энергопотребление в 4 раза по сравнению с нынешними 7-нм процессорами.

Лазер – ещё одно знакомое слово. Их так много вокруг, что мы соприкасаемся с ними десятки раз на дню. С одной стороны, лазерный луч – это просто свет или невидимая электромагнитная волна, с другой – когерентный пучок фотонов, которые колеблются синхронно, в одной фазе. Лазерный луч позволяет достичь высокой концентрации энергии в нужном месте, а так же позволяет себя фокусировать и контролировать намного лучше, чем обычный хаотический свет от нагретых тел. Другая важная особенность лазерного луча: он способен нести информацию.

Интерференция

Когерентность фотонов позволяет считать фазу волны, и из неё определить расстояние, пройденное лучом, размер или скорость предмета, от которого он отразился. Чаще всего это делают, сравнивая два луча: исходный и изменённый исследуемым объектом. Это называется интерференцией.

Одно из недавних потрясающих измерений, заслужившее Нобелевку по физике в 2017 году – регистрация гравитационных волн от столкновения чёрных дыр было сделано с помощью лазерной интерферометрии на детекторе LIGO. Премию получили Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бариш. У лазеров долгая история. В 1917 году Эйнштейн предложил теорию «вынужденного излучения», которая описала возможность создания синхронных колебаний электронов, чтобы они одновременно излучали свет одной длины волны, чем заложил теоретическую основу для создания лазера.

LIGO - гигантский интеферометр.
LIGO – гигантский интеферометр.

Только в 1951 году Чарльз Таунс смог осуществить такой прибор. В 1954 году он со своими коллегами Гербертом Цайгером и Джеймсом Гордоном показали первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов.
В 1964 году они вместе с Таунсом получили за свои открытия Нобелевскую премию по физике. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Зелёный лазер - указка.
Дешёвый зелёный лазер – указка.

Применения лазеров.

Медицина:

  • бескровная хирургия, включая глазную
  • заживление ран
  • стоматология
  • удаление камней в почках

Промышленность:

  • резка материалов
  • сварка
  • разметка
  • гравировка

Военные применения:

  • наведение на цель
  • приборы слежения
  • лазерные пушки

Наука:

  • спектроскопия (определение структуры и упругости материалов)
  • определение расстояний и скоростей
  • оптические пинцеты (Нобелевка по физике 2018 Эшкин, Муру, Стрикланд)

Бизнес, офис:

  • лазерные принтеры
  • сканеры штрихкодов
  • CD/DVD/BD
  • компьютерные мышки
  • голограммы

Важное замечание. Из этих коротких рассказов не очевидно, что над технологиями и открытиями трудится множество учёных. Практически каждый нобелевский лауреат пользовался результатами многолетних исследований сотен коллег. Иногда им просто повезло быть первыми. Образ Тони Старка (Iron Man) – гения-изобретателя, хотя и выглядит завлекательно, искажает процесс исследования. Ведущие технологические компании – Apple, Intel, IBM, AMD, Samsung, Nvidia, Tesla содержат огромные лаборатории, в которых работают тысячи физиков и инженеров.